可編程控制器在電力系統智能裝置自動(dòng)檢測系統應用

摘 要:可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域應用廣泛,本文從可編程控制器在電力系統智能裝置自動(dòng)檢測系統應用出發(fā),介紹自動(dòng)檢測系統設計原理和系統組成,詳細介紹 PLC 在本系統功能和具體應用范圍,并針對可編程控制器應用中出現特殊問(wèn)題進(jìn)行分析,并給出解決方法。實(shí)踐證明,可編程控制器系統的擴展性和可編程特點(diǎn)可有效滿(mǎn)足部分控制系統的特殊要求。

1 引言

PLC 廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域,因其具備良好的擴展性和獨有內部邏輯的二次編程功能,大大擴展其在工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)控制領(lǐng)域的應用范圍。本文從電力系統智能裝置的自動(dòng)測試系統原理出發(fā),簡(jiǎn)要介紹自動(dòng)測試系統結構,詳細介紹PLC 在本系統功能和具體應用, 并針對PLC 在電力系統智能裝置自動(dòng)測試系統特殊領(lǐng)域的應用中出現的觸點(diǎn)檢測的條件、采樣數據上送和特殊控制邏輯的要求問(wèn)題進(jìn)行討論, 并給出一般解決辦法。實(shí)踐應用表明,可編程控制器的良好的擴展性和其獨有邏輯編程特點(diǎn)有效擴大其應用領(lǐng)域和范圍。

2 系統基本原理

電力系統智能裝置一般包括是繼電保護裝置和測量控制裝置。繼電保護裝置主要功能是保護電力系統的一次設備安全運行,確保電力系統輸電系統的安全運行,而測控裝置主要負責電力系統開(kāi)關(guān)的控制和電氣量的測量, 二者構成完整電力系統二次保護設置。

從電力系統智能裝置和外部一次設備的發(fā)生聯(lián)系的主要電氣量包括:一次設備的模擬量、一次設備的信號開(kāi)入和繼電保護出口三個(gè)最主要部分。因此,模擬現場(chǎng)運行環(huán)境的電力系統智能裝置自動(dòng)測試系統也必須具備模擬量輸出、開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)出觸點(diǎn)的檢測功能,但不僅僅限于這三部分的功能的檢測,其他還應包括時(shí)鐘同步等等功能的檢測。

目前, 電力系統智能裝置是屬于微機型, 其具備完好信息記錄功能,具備和其他外部系統良好的信息交換功能。因此電力系統智能裝置的自動(dòng)測試系統應包括四個(gè)最主要的功能:用于模擬故障模擬量輸出模塊、提供保護裝置開(kāi)人的開(kāi)入模塊、用于檢測保護裝置動(dòng)作接點(diǎn)的開(kāi)出檢測模塊和裝置信息的解析模塊。電力系統智能自動(dòng)檢測系統的基本原理:通過(guò)專(zhuān)用設備模擬電力系統故障狀態(tài)模擬量輸出,并通過(guò)開(kāi)入模塊提供保護裝置的開(kāi)入量, 從而滿(mǎn)足保護裝置保護動(dòng)作基本條件,通過(guò)解析保護裝置的信息和檢測保護裝置的動(dòng)作出口觸點(diǎn), 從而完成保護裝置的基本功能的檢測任務(wù)。

3 系統組成和各模塊基本功能

從電力系統智能裝置的自動(dòng)檢測系統原理的出發(fā),一個(gè)完整的電力系統智能裝置的檢測系統包括:微機繼電保護測試儀、保護裝置的開(kāi)入模塊、保護裝置的觸點(diǎn)檢測模塊和控制計算機模塊。自動(dòng)檢測系統它主要由測試控制計算機、微機繼電保護測試儀、可編程控制器、被測智能裝置構成。

微機繼電保護測試儀接受自動(dòng)測試控制平臺發(fā)出控制參數及命令類(lèi)型, 向保護裝置輸出模擬量, 完成向保護裝置輸出模擬量完成保護功能的測試, 并及時(shí)將測試儀器反饋信息以標準統一格式上報到自動(dòng)測試控制平臺。

可編程控制器根據自動(dòng)測試控制平臺發(fā)過(guò)來(lái)的命令, 輸出開(kāi)關(guān)量信號, 實(shí)現保護裝置硬壓板的控制和保護開(kāi)關(guān)量輸出功能,將基于保護裝置繼電器開(kāi)出觸點(diǎn)檢測輸入的采樣數據, 上送自動(dòng)測試控制平臺, 為保護動(dòng)作觸點(diǎn)判斷提供連續有效開(kāi)入量采樣數據。

測試控制計算機是整個(gè)控制系統的核心硬件, 它通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和系統中其他硬件進(jìn)行信息交互,控制繼電保護測試儀向保護裝置輸出模擬量,接收保護裝置信息解析模塊上送的保護動(dòng)作信息并通過(guò)其完成對保護裝置的控制, 控制可編程控制器輸出保護測試的開(kāi)入量命令,檢驗保護裝置繼電器開(kāi)出觸點(diǎn)動(dòng)作。

微機繼電保護測試儀選用北京博電PW30AE, 可編程控制器選用GE 公司的GE-9030,可編程控制器通訊模塊使用以太網(wǎng)模塊。

4 PLC 應用主要問(wèn)題及解決辦法

可編程控制器在本系統的任務(wù)是完成智能裝置的保護出口繼電器觸點(diǎn)或者遙控觸點(diǎn)的檢測和智能裝置的遙信開(kāi)入檢測,具體到可編程控制器各模塊是開(kāi)入模塊負責檢測出口繼電器觸點(diǎn)導通和開(kāi)出模塊負責提供開(kāi)出完成智能裝置的遙信的檢測功能。同時(shí)為了交換信息的需要,可編程控制器必須配置相對應的通訊模塊以滿(mǎn)足可編程控制器和上位機信息交換要求。

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在本系統設計時(shí), 對開(kāi)入模塊的功能有具體的要求,這些要求是和電力系統的智能裝置實(shí)現的功能是密切相關(guān), 如觸點(diǎn)類(lèi)型和觸點(diǎn)的導通時(shí)間等, 因此必須分析智能裝置的保護出口繼電器觸點(diǎn)和遙控觸點(diǎn)檢測的具體要求,并以此為要求進(jìn)行可編程控制的硬件選擇和內部邏輯回路的設計,充分滿(mǎn)足本系統對觸點(diǎn)檢測的特殊要求?？删幊炭刂破鞯拈_(kāi)出模塊邏輯回路的設計也必須滿(mǎn)足本系統的特殊需要。

4.1 繼電器出口觸點(diǎn)檢測特殊要求

可編程控制器開(kāi)入模塊負責檢測繼電保護出口繼電器輔助觸點(diǎn)的通斷情況,并將開(kāi)入模塊數據上送到控制計算機, 并作為控制計算機自動(dòng)檢測成功標準之一。

因此可編程控制器開(kāi)入模塊檢測功能的強弱決定本系統的可靠性和穩定性。

繼電保護裝置的出口繼電器觸點(diǎn)包括四類(lèi):保持型常開(kāi)接點(diǎn)、保持型常閉節點(diǎn)、瞬動(dòng)型常開(kāi)接點(diǎn)和瞬動(dòng)型常閉節點(diǎn)。對于保持型出口觸點(diǎn)的檢測來(lái)說(shuō),可編程控制器的開(kāi)入是滿(mǎn)足自動(dòng)檢測的需要。而對于瞬動(dòng)型觸點(diǎn)的檢測,可編程控制器開(kāi)入模塊檢測功能是否滿(mǎn)足要求取決于PLC 本身掃描周期T1 和瞬動(dòng)接通的時(shí)間T2兩者的關(guān)系?？紤]到可編程控制器由于掃描方式引起開(kāi)入延時(shí)最長(cháng)可能達兩個(gè)掃描周期,如果保護裝置的瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間T2 大于兩倍的掃描周期T1,該觸點(diǎn)的狀態(tài)變化就可以被PLC 開(kāi)入模塊所檢測到。

瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間取決兩個(gè)因素,一是裝置軟件內部對瞬動(dòng)繼電器出口延時(shí)整定的時(shí)間,目前各廠(chǎng)家提供的技術(shù)參數來(lái)看,裝置軟件觸點(diǎn)延時(shí)的時(shí)間一般設置為50-100 毫秒,二是出口繼電器本身動(dòng)作時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間參數也會(huì )影響瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間。假設瞬動(dòng)型觸點(diǎn)的接通時(shí)間為100 毫秒,要求可編程控制器的掃描周期的時(shí)間小于50 毫秒,才能保證可編程控制器的開(kāi)入模塊的檢測功能的有效性。

可編程控制器的掃描周期和可編程控制器的硬件參數和用戶(hù)的程序的大小有密切的關(guān)系。因此只要通過(guò)硬件配置和相關(guān)技術(shù)手冊提供的技術(shù)參數并結合用戶(hù)的PLC 程序指令類(lèi)型和各指令類(lèi)型數目計算出可編程控制器掃描周期, 選擇合適可編程控制器模塊, 保證可編程控制器掃描周期小于50 毫秒,保護裝置的瞬動(dòng)型觸點(diǎn)檢測就可以在可編程控制器開(kāi)入模塊來(lái)完成。

4.2 上位機數據采樣特殊要求的實(shí)現

在前面小節中, 討論了可編程控制器必須滿(mǎn)足檢測保護裝置的四類(lèi)節點(diǎn)的檢測的基本條件。但前面條件的符合,只能保證PLC 開(kāi)入模塊能夠檢測保護裝置動(dòng)作觸點(diǎn)狀態(tài)的變化情況。在自動(dòng)測試系統設計中,可編程控制器的開(kāi)入模塊僅僅采集觸點(diǎn)狀態(tài),而完成觸點(diǎn)狀態(tài)檢測標準判斷是在控制計算機中完成,如何保證上位機能夠得到完整、連續的基于采樣周期為50 毫秒可編程控制器開(kāi)入模塊采樣數據是本系統必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

電力系統智能裝置自動(dòng)測試系統檢測的對象是繼電保護設備中出口繼電器動(dòng)作情況,由于繼電保護設備的動(dòng)作的快速性,部分保護動(dòng)作時(shí)間實(shí)現小于 50ms,因此部分出口繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)在較短的時(shí)間會(huì )出現反轉,根據系統設計要求,要求上位機能將保護動(dòng)作前和保護動(dòng)作后出口繼電器接點(diǎn)動(dòng)作情況進(jìn)行檢測處理,并將動(dòng)作前后出口繼電器接點(diǎn)狀態(tài)作為該系統中繼電器接點(diǎn)檢測判斷依據。因此,要通過(guò)上位機和可編程控制器通訊數據交換,實(shí)現采樣時(shí)間間隔不大于 50ms 可編程控制器開(kāi)入采樣數據上送到上位機的目標。

目前, 上位機獲得可編程控制器的開(kāi)入采樣數據是通過(guò)通訊交換信息得到,而提高上位機和PLC 數據信息交換效率是解決數據采樣的實(shí)時(shí)性的措施之一,但僅僅依靠提高上位機和PLC 數據交換速度是無(wú)法到達采樣數據周期50ms 指標要求, 即使上位機使用以太網(wǎng)介質(zhì)能達到此要求,也會(huì )占用上位機比較多資源。同時(shí)由于可編程控制器掃描工作方式的特點(diǎn),通訊模塊頻繁和上位機數據交換會(huì )影響可編程控制器其他模塊功能執行,如影響可編程控制器掃描周期。

對于可編程控制器來(lái)說(shuō),在其內部實(shí)現50ms 采樣周期的數據采樣是完全可以的實(shí)現的,充分利用可編程控制器中數據轉存和邏輯控制功能, 將每50ms 一次采樣數據寄存到連續但不相同數據緩沖區。通過(guò)采樣周期時(shí)間的整定,結合上位機和可編程控制器通訊協(xié)議的最大數據長(cháng)度,上位機只需要在給定的時(shí)間內進(jìn)行一次讀取多次采樣數據即可。上位機讀取采樣數據后,根據PLC 采樣數據轉存的原則和邏輯,將已接收到采樣數據進(jìn)行采樣時(shí)序的還原即可。

4.3 可編程控制器順序開(kāi)出的實(shí)現

可編程控制器開(kāi)出模塊順序開(kāi)出主要是滿(mǎn)足電力系統測控裝置的遙信檢測要求, 設計具體要求為: ①上位機下發(fā)一次命令,啟動(dòng)順序開(kāi)出,PLC 接受命令啟動(dòng)順序開(kāi)出邏輯回路,由可編程控制器本身完成開(kāi)出模塊開(kāi)出接點(diǎn)順序開(kāi)出。②在順序開(kāi)出過(guò)程不允許同時(shí)出現兩個(gè)開(kāi)出同時(shí)接點(diǎn)接通狀態(tài)。③順序開(kāi)出執行一次完畢即可停止開(kāi)出。

設計基本思路: 在啟動(dòng)命令后, 啟動(dòng)維持一個(gè)掃描周期時(shí)間的定時(shí)T1 脈沖信號回路,同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)計時(shí)器T2(T2 T1)。在一個(gè)掃描周期脈沖到來(lái)時(shí),由設定計數器和目標進(jìn)行比較, 決定開(kāi)出繼電器序號, 開(kāi)出執行并保持時(shí)間T2 后,計數器加一和執行復位判斷程序, 等待下一個(gè)脈沖到來(lái)后執行上一過(guò)程直到全部執行完畢。

設計維持一個(gè)掃描周期時(shí)間的定時(shí)脈沖信號,定時(shí)的時(shí)間參數為兩個(gè)開(kāi)出之間的時(shí)間。一個(gè)周期定時(shí)脈沖梯形圖如圖1 所示。通過(guò)修改定時(shí)器類(lèi)型和計時(shí)器參數,確保M100 能夠在T1 的時(shí)間后產(chǎn)生一個(gè)能夠維持一個(gè)掃描周期間的脈沖信號, 是一個(gè)通用的標準的定時(shí)脈沖信號程序。M103 為定時(shí)脈沖到來(lái)后寬度為T(mén)2 脈沖。

圖1 定時(shí)脈沖信號程序和梯形圖

在定時(shí)脈沖到來(lái)時(shí), 通過(guò)數據比較程序, 由計數器R500 當前值和特殊指定值比較進(jìn)行邏輯判斷,決定是否接通中間繼電器,再由該中間繼電器決定控制特定的開(kāi)出,并在自保持回路中串聯(lián)一個(gè)M103 中間繼電器觸點(diǎn)狀態(tài),以控制開(kāi)出維持的時(shí)間。數據比較驅動(dòng)程序和梯形圖如圖2 所示。

圖2 數據比較驅動(dòng)程序和梯形圖

執行一次開(kāi)出后, 執行計時(shí)器計數和復位程序, 本文中使用M00400-M00404 分別控制第1 個(gè)到第5 個(gè)開(kāi)出的執行, 每次執行開(kāi)出后均進(jìn)行計數器自加一, 并通過(guò)計數器邏輯回路進(jìn)行計數器復位。計數器復位后立刻復位啟動(dòng)線(xiàn)圈,結束本次順序開(kāi)出控制任務(wù)執行。計數器計數和復位梯形圖如圖3 所示。

圖3 計數器計數和復位梯形圖

通過(guò)以上控制邏輯的設計,實(shí)現啟動(dòng)順序開(kāi)出功能的實(shí)現, 并實(shí)現系統要求一次啟動(dòng), 按照循序開(kāi)出不重疊。

通過(guò)此邏輯的實(shí)現,可以簡(jiǎn)化上位機在進(jìn)行遙信檢測的控制邏輯, 充分利用可編程控制器開(kāi)入開(kāi)出二次編程功能,在不影響可編程控制器性能指標上,減少上位機和可編程控制器的控制命令的交換, 提高上位機遙信的檢測效率。

5 結束語(yǔ)

在本系統設計中, 充分利用可編程控制器模塊化的組合特點(diǎn)以及其獨有開(kāi)入開(kāi)出二次邏輯編程的優(yōu)點(diǎn),保證系統設計功能的實(shí)現的同時(shí), 減少系統主控制平臺的在開(kāi)入和開(kāi)出功能檢測資源開(kāi)銷(xiāo), 并帶來(lái)系統穩定性和可靠性?？删幊炭刂破鳘氂锌删幊痰奶攸c(diǎn)為其在工業(yè)領(lǐng)域的應用奠定堅實(shí)的基礎,隨著(zhù)計算機技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展,特別可編程控制器的核心模塊CPU 運算的速度得到提高,通過(guò)提高指令的執行速度和擴展其計算功能,可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。